包括风力涡轮机和空中风能系统的风电场

摘要

一种风电场，该风电场具有风力涡轮机和空中风能系统，其中，针对空中风能系统中的至少一个空中风能系统限定第一区域和第二区域，使得该空中风能系统的一部分与风力涡轮机中的一个风力涡轮机的一部分之间的碰撞风险在该空中风能系统的空中单元处于第二区域时比处于第一区域时更高，并且根据空中单元相对于所限定的区域的位置，将不同控制参数应用至对风力涡轮机和空中风能系统中的至少一者的控制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种运行风电场(wind park)的方法，该风电场包括至少一个风力涡轮机和至少一个空中风能系统(airborne wind energy system)。

该风力涡轮机包括塔、安装在塔上的至少一个机舱以及联接至各个机舱的转子。该转子可绕旋转轴线旋转，以产生用于电网的电能。该空中风能系统包括空中单元、基部以及将空中单元连接至基部的线缆。

背景技术

现代风力涡轮机用于产生用于电网的电能。为此，联接至转子的一组风力涡轮机叶片被引导向迎面而来的风，并且通过风力涡轮机叶片提取风的能量，使风力涡轮机叶片旋转并由此将风的能量转换成机械能。将转子连接至发电机，并在其中将旋转转子的机械能转换成电能。将电能经由合适的组件供应给电网。转子到发电机的连接可以是直接连接，即，转子以发电机的转子部分的速度旋转，或者经由齿轮装置使其间的速度发生改变。

风力涡轮机的电力生产取决于风力涡轮机场所的风力条件，包括风速。在风速低于指定最小风速(有时称为切入风速)时，风力涡轮机不产生电能。在切入风速与标称风速之间的风速下，风力涡轮机生产的电力随着风速的增加而逐渐增加，直到在标称风速达到标称电力生产为止。在风速高于标称风速时，风力涡轮机的电力生产被限制到标称电力生产。然而，在风速高于最大风速(有时称为切出风速)时，为了防止损坏风力涡轮机，使风力涡轮机停止运行或者以降低的电力生产来运行。

包括上述控制步骤的电力生产是通过一组控制参数来进行控制的，该组控制参数包括控制机舱旋转相对于塔的偏航角和叶片的俯仰角(pitch angle)的参数。

能够在比传统风力涡轮机更高的海拔处捕获风能的各种空中风能系统是众所周知的。这些系统的共同点是，系统的空中单元可以被发射到收集风能的高海拨。将收集到的能量以机械能形式或者以电能形式从空中单元传递至基站。在传递的能量为机械能形式的情况下，通常将在基站处设置发电机，以便将机械能转换成电能。在传递的能量为电能形式的情况下，空中风能系统包括由空中单元承载的空中发电机，即，该系统的被发射到高海拨的所述部分包括发电机。空中单元可以包括风筝或滑翔机。

Cherubini等人在“Airborne Wind Energy Systems:A review of thetechnologies(空中风系统：技术回顾)”，Renewable and Sustainable Energy Reviews,51(2015)1461-1476中描述了许多空中风能系统。

US 2007/0126241公开了一种包括从动部件和控制装置的用于空中发电系统的风动装置。该从动部件被构造和成形为在运行的顺风阶段期间提供来自提升和拖曳的最大力，并且在逆风阶段期间提供最小的力。从动部件具有带前缘和后缘的帆部分。控制装置在顺风运行的高力配置与逆风运行的低力配置之间改变从动部件，调整从动部件的俯仰角和方位角，并且控制后倾角(camber)。在一个实施方式中，从动部件附接至可旋转地安装在塔顶的机舱上的轴。

空中单元的电力生产和位置通过尤其是控制从动部件的上述俯仰角和方位角的控制参数集、基站与空中单元之间的线缆长度以及其它参数来进行控制。

在传统的风电场中，单个风力涡轮机在地面上具有固定位置，并且不存在碰撞的问题。在空中风能系统的风电场中，可能存在缠结的风险，但是不存在损坏风力涡轮机的昂贵转子组件的问题。

有益地，可以将空中风能系统放置在风力涡轮机上并且从风力涡轮机运行，或者可以将空中风能系统放置在风力涡轮机附近的地面上。在组合风力涡轮机和空中风能系统的风电场中，例如，如果由风力涡轮机或者空中风能系统所造成的湍流风力条件降低了该风力涡轮机和空中风能系统中的另一者或者该两者的效率，则存在非最佳运行条件的风险。此外，空中风能系统与风力涡轮机之间存在碰撞的风险。因此，需要改进控制。

发明内容

本公开的实施方式的目的是提高包括至少一个风力涡轮机以及至少一个空中风能系统的电场的安全性并且降低碰撞的风险。另一个目的是允许增加能量生产并避免能量生产的不必要中止。

根据第一方面，本公开提供了一种运行风电场的方法，该风电场包括至少一个风力涡轮机以及至少一个空中风能系统。

所述方法涉及一种风电场，其中，该风力涡轮机包括：塔、以及被安装在塔上的至少一个机舱和转子，该转子被联接至机舱并且可绕旋转轴线旋转以产生用于电网的电能。

所述方法涉及的空中风能系统包括：空中单元、基部以及将空中单元连接至基部的线缆。

所述方法包括以下步骤：

-针对空中风能系统中的至少一个空中风能系统限定第一区域和第二区域，使得空中风能系统中的一个空中风能系统的一部分与风力涡轮机中的一个风力涡轮机的一部分之间的碰撞风险在该空中风能系统的空中单元处于第二区域时比处于第一区域时更高。

借助于示例，可以限定第一区域与第二区域，使得空中风能系统与风力涡轮机之间的碰撞在第二区域中可能发生，但是在第一区域中不可能发生。第一区域和第二区域例如可以至少部分地基于风力涡轮机的位置和基部的位置被限定。

所述方法还包括以下步骤：

-确定空中单元的位置；以及

-如果空中单元的位置处于第一区域，则将第一控制参数集应用至对风力涡轮机和空中风能系统中的至少一者的控制，而如果空中单元的位置处于第二区域，则将第二控制参数集应用至对风力涡轮机和空中风能系统中的至少一者的控制。

根据该方法，第一区域和第二区域指示碰撞风险的不同程度。所述区域可以基于静态信息，例如，与应用所述区域的空中风能系统附近的风力涡轮机的位置以及空中风能系统本身的基部的位置有关的信息。这样的信息可以用于限定第一区域和第二区域。因此，所述区域指示碰撞风险的程度和/或非最佳运行条件的风险程度。空中单元相对于所限定的区域的位置确定了要应用哪个控制参数集。因此，所述控制取决于空中单元相对于第一区域和第二区域的位置，并由此取决于碰撞或非最佳运行条件的风险，因此所述方法改善了具有风力涡轮机和空中风能系统的组合的风电场的运行条件。

所述方法还可以包括以下步骤：限定比在第二区域中更可能发生风力涡轮机与空中风能系统之间的碰撞的第三区域，并且如果空中单元处于第三区域内，则将第三控制参数集应用至风力涡轮机和空中风能系统中的至少一者。

第一区域、第二区域以及第三区域可以被认为是绿色区域、黄色区域以及红色区域，其中，警惕性在黄色区域中较高，而在红色区域中更高。

风力涡轮机可以是任何类型的风力涡轮机。可以是传统风力涡轮机，例如，水平轴风力涡轮机(具有为被安装在塔顶的机舱形式的能量产生单元)、垂直轴风力涡轮机，或者可以是多转子风力涡轮机，其中一个塔结构承载多个能量产生单元。在具有例如系绳叶片或带铰链的叶片的某些版本中，风力涡轮机也可以是逆风或顺风桨距或失速风力涡轮机。

能量产生单元通常经由偏航轴承被安装在塔上，从而允许机舱相对于塔执行偏航移动，以便将风力涡轮机叶片引导向迎面而来的风。本文中，我们指的是偏航系统和偏航角。此外，风力涡轮机可能能够控制从风能到电能的转换率，例如，包括使叶片俯仰(pitching)的系统，在本文中被称为俯仰系统和俯仰角。转换率也可以通过控制风力涡轮机的发电机或其它装置(包括转子制动器等)来进行控制。

在本文中，将“空中风能系统”定义为包括基部和空中单元的系统。空中单元是被发射至比基部更高的海拔并且能够捕获风能的部分。基部和空中单元通过线缆连接。所收集的能量以机械能的形式或者以电能的形式被传递至基站，即，空中风能系统的发电机可以位于基部或者空中单元处。

可以将基部直接连接至风力涡轮机，或者可以将基部定位在风力涡轮机附近。当直接连接至风力涡轮机时，可以将基部放置在风力涡轮机的机舱处，其中，基部与风力涡轮机的转子和机舱一起偏航，或者可以将基部放置在风力涡轮机的塔或地基处，其中，将包括使基部与转子和机舱偏航位置一起偏航的系统。

所述线缆可以是导电的。在这种情况下，可以将该线缆配置为以AC电流或DC电流的形式传输电力和/或传输通信信号。作为另选例，线缆可以仅被配置为将空中风能系统机械地附接至风力涡轮机，但不被用于传输电流。在这种情况下，该线缆例如可以为缆绳、钢索等的形式。

空中单元例如可以是软风筝、硬风筝，或者尤其可以从称为Makani

可以通过在风筝处使用GPS(全球定位系统)，通过测量线缆角度和长度等，来确定空中单元的位置。

不同参数确定了风电场的条件。在本文中，我们将该参数划分成两组。这两组中的第一组在本文中被称为“运行条件”，即，风电场所经受的条件和不能通过控制动作改变的条件。这两组中的第二组在本文中被称为“控制参数”。

在本文中，术语“风电场控制参数”包括控制风电场的参数，并且其包括控制风力涡轮机和空中风能系统两者的参数。术语“风力涡轮机控制参数”包括控制风力涡轮机的参数，尤其是机舱旋转相对于塔的偏航角、转子方位角、叶片的俯仰角以及系绳式或铰链式叶片的枢转角确定了在3D空间中的叶片位置。

术语“空中能量系统参数”包括控制空中能量系统的参数，例如，包括空中单元的从动部件的线缆长度或方位角、以及通常可用于控制空中风能系统的无论什么控制参数。术语“控制参数”是这三组内的参数，风电场控制参数、风力涡轮机控制参数或者空中能量系统控制参数。

第一区域、第二区域以及第三区域皆限定三维空间，并且它们例如可以通过对该空间的拐角坐标进行限定而被限定。

由于非最佳运行条件和碰撞的风险可能不是仅取决于静态信息(例如，风力涡轮机的位置和空中风能系统的位置)，因此所述方法可以包括以下步骤：例如基于风速、风向或线缆的长度，重新限定第一区域和第二区域。前两个参数是运行条件，而后者(即，线缆的长度)是控制参数。即，一旦建立了特定运行条件，或者一旦选择了特定控制参数，就可以重新限定第一区域。

第一区域或第二区域的重新限定可以在风力涡轮机或空中风能系统中的至少一者产生电能的同时执行，并且可以连续地执行，或者可以在每次改变运行条件或控制参数时执行，或者每次将运行条件或控制参数改变为超过阈值的极限(即，响应于运行条件或控制参数被改变得大于预定百分比等)时执行。

所述方法可以包括以下步骤：限定不可重新限定的至少一个静态区域，即，第一区域、第二区域以及第三区域中的至少一个区域可以是不可重新限定的。由于静态区域不改变，因此可以省略可能由第一区域的重新限定而导致的错误。

所述方法可以包括以下步骤：如果空中单元的位置处于静态区域之外，则将第四控制参数集应用至对风力涡轮机和空中风能系统中的至少一者，而如果空中单元的位置处于静态区域之内，则将第五控制参数集应用至对风力涡轮机和空中风能系统中的至少一者的控制。

特别地，所述方法可以通过计算机系统来执行，特别是通过被配置成限定控制参数并且控制风力涡轮机和/或空中风能系统的计算机系统来执行。在这种情况下，第一区域是在计算机系统中进行限定的，并且将该计算机系统配置成基于空中单元的位置来选择第一控制参数集或第二控制参数集，并随后相应地执行所述控制。

可以将空中风能系统部分地集成在风力涡轮机中，并且特别地，该计算机系统可以是被配置用于控制风力涡轮机和对应的空中风能系统、或者控制风电场的所有风力涡轮机和所有空中风能系统的共享计算机系统。

所述控制参数集可以包括旋转轴线的取向或风力涡轮机的转子的速度中的至少一个，或者所述控制参数集可以包括空中风能系统的线缆长度、线缆收放速度以及空中单元的位置。

可以将所述操作参数集应用至风电场的一个单一实体，即，应用于一个风力涡轮机或一个空中风能系统，或者可以将所述操作参数集应用至风电场的多于一个风力涡轮机或空中风能系统。即，多个风力涡轮机可以基于一个空中单元相对于区域的位置利用同一控制参数集运行，或者多个空中风能系统可以基于一个空中单元相对于区域的位置利用同一控制参数集运行。

在第二方面，本公开涉及一种风电场，该风电场包括至少一个风力涡轮机和至少一个空中风能系统，该风力涡轮机包括被放置在地基上的塔。该风力涡轮机还包括被安装在塔上的至少一个机舱以及转子，该转子联接至机舱并且可绕旋转轴线旋转以产生电网的电能。该空中风能系统包括空中单元、基部以及将空中单元连接至基部的线缆。

该风电场还包括电子数据存储部以及可对数据存储部中的数据操作的电子控制器。该数据存储部包含用于空中风能系统中的至少一个空中风能系统的数据集。该数据集至少包括限定第一区域的第一区域数据集、以及限定第二区域的第二数据集，使得风力涡轮机与空中风能系统中的所讨论的空中风能系统之间的碰撞风险在第二区域中更高。

该风电场还包括被配置用于确定空中单元的位置的位置确定结构，并且将该电子控制器配置成对位置数据以及所述第一区域数据和所述第二区域数据进行处理，并且基于该处理来确定空中单元是处于第一区域还是处于第二区域。

如果空中单元处于第一区域，则控制器被配置成应用第一控制参数集以对风力涡轮机和空中风能系统中的至少一者进行控制，而如果空中单元的位置处于第二区域，则控制器被配置成控制第二控制参数集以对风力涡轮机和空中风能系统中的至少一者进行控制。

该电子数据存储部至少可以包括限定第三区域的第三区域数据集，在该第三区域中，比在第二区域中更可能发生风力涡轮机与空中风能系统之间的碰撞，并且其中，该电子控制器被配置成如果空中单元处于第三区域，则将第二控制参数集应用至风力涡轮机和空中风能系统中的至少一者。

电子控制器可以被配置成基于风速、方向以及线缆的长度来重新限定第一区域、第二区域以及第三区域中的至少一者。

控制器还可以被配置成在产生电能的同时重新限定第一区域、第二区域以及第三区域中的至少一者。

控制器可以被配置成在将风力涡轮机和空中风能系统中的至少一者的控制参数集应用于控制运行时，重新限定第一区域、第二区域以及第三区域中的至少一者。

控制器可以被配置成连续地重新限定第一区域、第二区域以及第三区域中的至少一个区域。

根据第二方面的风电场可以包括相对于第一方面的方法提及的特征中的任何特征。

本公开还提供了根据第二方面的风电场的风力涡轮机、根据第二方面的风电场的空中风能系统、以及计算机系统，该计算机系统包括电子数据存储部和电子控制器，该电子控制器可对该数据存储部中的数据操作以执行本发明的第一方面的方法。

附图说明

现在参照附图对本发明进行更详细描述，其中，

图1至图5例示了根据三个不同的实施方式的并且具有一个风力涡轮机和空中风能系统的风电场；

图6至图11例示了根据三个不同的实施方式的并且具有为了控制限定的不同区域的风电场。

具体实施方式

图1a例示了具有单个风力涡轮机1和单个空中风能系统2的风电场。

风力涡轮机1包括塔3和安装在塔3上的机舱4。转子5按以下方式联接至机舱4：当风作用于被安装在转子5上的风力涡轮机叶片10时，允许转子5相对于机舱4旋转。

空中风能系统2包括空中单元6和基部7。基部和空中单元通过线缆8连接。在所示实施方式中，将基部7放置在塔3处，该基部具有根据风力涡轮机的机舱和转子的偏航位置绕塔旋转的系统，但是该基部也可以具有与风力涡轮机相距一定距离的位置。

通过抽出或回收线缆8，绞盘9旋转，并且发电机7在基部7处产生电能。

线缆8可以借助于空中单元6的移动被抽出和回收，在这种情况下，该空中单元为风筝的形式。这将在下面进一步详细描述。根据该实施方式，由空中风能系统产生的能量以机械能的形式被传递至风力涡轮机1，之后在风力涡轮机中，通过发电机将该机械能变换成电能。

风筝6可以沿指向远离风力涡轮机叶片10的方向被发射，但是相对于风电场的相邻风力涡轮机，仍然可能存在碰撞的问题。

可以看出，风筝6被发射到远高于风力涡轮机1所产生的尾流的海拔。而且，预期在该海拔处盛行的风速通常高于在风力涡轮机1的转子5的海拔处盛行的风速。这样可以很好地利用风力涡轮机1的场所处的可用风，从而与空中风能系统不联接至风力涡轮机1的情形相比，可以增加所述场所的总能量生产。

通常，风筝6能够沿着指定移动路径移动。

图1b例示了具有单个风力涡轮机和空中风能系统的风电场。在该实施方式中，空中风能系统的基部处于与风力涡轮机相邻的地面。

图2例示了空中单元是设置有转子11的滑翔机或类似物的实施方式，该转子能够在空中单元本地产生电能。所产生的电能经由导电线缆12传递至基部。绞盘12被用于滑翔机的抽出和发射。

在这里，将电能供应给基部7的合适电气组件。

图3例示了具有单个多转子风力涡轮机和空中风能系统的风电场。风力涡轮机1包括四个转子5，各个转子皆被安装在塔3上所安装的臂13上。因此，图3的风力涡轮机1是多转子风力涡轮机。

为风筝6形式的空中风能系统借助于线缆8被安装在塔3的顶部处的风力涡轮机1上。由于转子5被安装在臂13上距塔3一定距离处，因此风力涡轮机叶片10很好地远离风筝6的安装位置。因此，风力涡轮机叶片10与风筝6或线缆8之间的碰撞风险较低。然而，仍然存在碰撞的风险，尤其是在空中能源系统和相邻的风力涡轮机之间。

图4例示了根据图3的风力涡轮机，但是具有关于图2提及的那种滑翔机。

图5a例示了图2中的风电场，但是具有多个风力涡轮机和空中风能系统。在该实施方式中，空中风能系统的基部位于风力涡轮机的机舱处。这使得能够实现基部与风力涡轮机的转子和机舱一起偏航。

图5a例示了具有多个风力涡轮机和空中风能系统的风电场。在该实施方式中，空中风能系统的基部位于地面上距风力涡轮机一定距离处。

图6例示了两个风力涡轮机，并且在最前面的风力涡轮机上放置有风筝。作为风筝的控制参数的一部分的线缆长度小于距后方的风力涡轮机的距离，甚或小于包括安全裕度的距离。

球体14是根据线缆的长度限定的，并且将该球体划分成三个不同的区域I、II以及III。该区域有以下规则：

·区域I，位置no.15。这可以被认为是绿色区域，在该区域中，风电场的运行被认为是没有问题的，并且可以应用第一标准控制参数集。即，当风力涡轮机转子旋转时，允许空中单元继续在其位置中。区域I可以对应于本文中被称为第一区域的区域。

·区域II，位置no.16。这可以被认为是发出警告的黄色区域。在该区域中，由于增加的碰撞风险(即，例如使空中单元进入区域I)，因此可以应用第二控制参数集。区域II可以对应于本文中被称为第二区域的区域。

·区域III，位置no.17。这可以被认为是发出警报的红色区域。在该区域中不允许运行，并且可以应用第二控制参数集，以用于紧急停止风力涡轮机的运行和/或使空中单元降落。区域III可以对应于本文中被称为第三区域的区域。

图7例示了与图6所示的基本上相同的区域限定，但是是针对缆绳长度大于距后方的风力涡轮机/最接近的风力涡轮机的距离的情形的。在处于空中风能系统后方的风力涡轮机上方有一个附加警告区域II。

图8例示了从上方看的风电场，其中空中风能系统连接在风力涡轮机中的一个风力涡轮机处。空中单元的高度高于包括安全裕度的用于风力涡轮机的最大叶片尖端高度。例示了处于同一水平面的区域I、II以及III。当然，可以将一个或更多个风筝放置在风电场中，并且在这种情况下，针对各个风筝划定了区域，并进一步实现防止风筝与缆绳碰撞的方法。

图9例示了根据图3的视图，但是是针对空中单元的高度低于风力涡轮机的最大叶片尖端高度(包括安全裕度)的情形的。区域I、II以及III处于同一水平面。

图10例示了从上方看的风电场，其中空中单元连接至风力涡轮机场内的基部。例示了针对空中单元的高度低于风力涡轮机的最大叶片尖端高度+安全裕度的情况的区域I、II以及III。

图11例示了在偏航误差下运行的逆风风力涡轮机以及连接至该风力涡轮机的空中风能系统。角度α是转子平面与将空中单元连接至基部的线缆之间的角度。根据α的值，空中单元将分别处于区域I、II或III中。